Chapitre 3 LES ALLIAGES D'ALUMINIUM DANS LES APPLICATIONS MARINES

Transcription

1 Chapitre 3 LES ALLIAGES D'ALUMINIUM DANS LES APPLICATIONS MARINES 1. Les familles d alliages de corroyage Désignation des alliages d aluminium de corroyage Les alliages à durcissement par écrouissage Adoucissement par le traitement thermique de recuit Les états métallurgiques Les alliages à durcissement structural Principe du durcissement structural Traitement d adoucissement par recuit Désignation des états métallurgiques Les principaux alliages pour applications marines Caractéristiques mécaniques garanties à la température ambiante Caractéristiques mécaniques aux basses températures Caractéristiques mécaniques aux températures supérieures à 100 C Un nouvel alliage, le Sealium, «Marine Grade» Caractéristiques mécaniques La tenue en fatigue La tenue à la corrosion Les familles d alliages de moulage Les alliages au silicium de la famille Les alliages au magnésium de la famille Propriétés des alliages de moulage Compositions chimiques Propriétés physiques Aptitudes technologiques Caractéristiques mécaniques

2 3. LES ALLIAGES D ALUMINIUM LES ALLIAGES d aluminium de corroyage (laminés et extrudés) utilisés dans les applications marines appartiennent, pour la plupart, à deux familles : la famille 5000, constituée d alliages aluminium-magnésium, la famille 6000, constituée d alliages aluminium-magnésiumsilicium. Compte tenu de leurs aptitudes spécifiques à la transformation, les demi-produits laminés sont majoritairement en 5000 (Sealium, 5083, 5086, 5754, etc.), tandis que les extrudés sont en 5000 (Sealium, 5083) et en 6000 (6082, 6005A, 6061, etc.) (1). Ils ont été choisis pour leur niveau de caractéristiques mécaniques, leur facilité d assemblage par soudage et leur excellente résistance à la corrosion en milieu marin. La composition des alliages de corroyage utilisés dans les applications marines est indiquée dans le tableau 9. Les propriétés des demi-produits des alliages de corroyage, dont : les caractéristiques mécaniques, l aptitude à la déformation à froid, la résistance à la corrosion, dépendent : de la composition chimique de l alliage, de la gamme de transformation, des traitements thermiques qu ils ont subis au cours de la gamme de transformation. Ces propriétés peuvent être sensiblement modifiées lors : des déformations à froid (ou à chaud), du soudage, qui réchauffe le métal de part et d autre du cordon de soudure (2). Il est donc indispensable de bien connaître l influence de ces opérations sur les caractéristiques mécaniques et les autres propriétés afin d en mesurer les effets et d en tenir compte dans les calculs de structure, par exemple. Cette appréciation s appuie sur des notions de base de la métallurgie des alliages d aluminium dont nous rappelons ci-après succinctement quelques-uns des aspects fondamentaux (3). (1) Le Sealium est du 5383 à l état H116. (2) Cf. chapitre 6. (3) Pour plus d informations, consulter la brochure Demi-produits en aluminium de Pechiney Rhenalu, 160 pages, édition SEAHAWK 34

3 DANS LES APPLICATIONS MARINES COMPOSITION DES PRINCIPAUX ALLIAGES DE CORROYAGE POUR LES APPLICATIONS MARINES (*) Alliage Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Remarques (**) ,50 2,4 0,05 0,25 0,40 0,10 1,0 3,0 0,20 0,25 0, ,6 Mn + Cr : 0,40 0,40 0,10 0,50 3,6 0,30 0,20 0,15 0,1-0, ,20 3,5 0,05 0,40 0,50 0,10 0,7 4,5 0,25 0,25 0, ,40 4,0 0,05 0,40 0,40 0,10 1,0 4,9 0,25 0,25 0, (1) 0,7 4,0 Zr 0,20 0,25 0,25 0,20 1,0 5,2 0,25 0,40 0, ,30 0,10 0,35 0,6 0,30 0,10 0,10 0,6 0,05 0,15 0, A 0,50 0,40 Mn + Cr : 0,9 0,35 0,30 0,50 0,7 0,30 0,20 0,10 0,12-0, ,30 0,05 0,40 0,6 0,35 0,25 0,20 0,8 0,20 0, ,20 0,45 0,6 0,35 0,10 0,10 0,9 0,10 0,10 0, ,7 0,40 0,6 1,3 0,50 0,10 1,0 1,2 0,25 0,20 0, ,40 0,15 0,8 0,04 0,8 0,7 0,40 0,15 1,2 0,35 0,25 0,15 (*) Extrait de la norme EN Tableau 9 (**) Quand une seule valeur est indiquée, elle correspond à un maximum autorisé. NATALIE M 35

4 1. LES FAMILLES D ALLIAGES DE CORROYAGE Il y a 8 familles d alliages de corroyage industriels dont les caractéristiques sont indiquées dans le tableau 10. Elles se répartissent en deux catégories : les alliages à durcissement par écrouissage, ceux dont les caractéristiques mécaniques dépendent des gammes de laminage (ou de filage) et des recuits intermédiaires (et finaux, s il y en a). Ils appartiennent aux familles 1000, 3000, 5000 et 8000, les alliages à durcissement structural, dont les caractéristiques mécaniques dépendent des traitements thermiques de mise en solution, trempe, et de revenu. Ils appartiennent aux familles 2000, 6000 et Bien qu ayant des caractéristiques mécaniques élevées, les alliages des familles 2000 au cuivre et 7000 au zinc (avec ou sans cuivre) ne peuvent être utilisés dans les applications marines sans protection spéciale, parce qu ils n ont pas une résistance suffisante à la corrosion. Les alliages 7000 sans cuivre sont soudables à l arc. Mais la grande sensibilité de la zone affectée thermiquement à la corrosion feuilletante exige des précautions très strictes pour les applications marines, dont la construction navale (4). 2. DÉSIGNATION DES ALLIAGES D ALUMINIUM DE CORROYAGE La désignation numérique des alliages d aluminium de corroyage, en 4 chiffres, tous accolés, s est imposée partout, à partir de Le CEN (5) en a normalisé les nouvelles désignations en Conformément à la norme EN (6)(7), le premier chiffre de cette désignation correspond à la famille d alliage, ainsi qu indiqué dans le tableau 10. Les 3 chiffres suivants n ont pas de signification particulière. En fait, la désignation d un demiproduit en alliage d aluminium comprend deux parties : la première 4 chiffres accolés indique la famille à laquelle il appartient, donc l élément d alliage dominant, la seconde 1 lettre (H ou T) suivie de 1 ou plusieurs chiffres indique son état métallurgique (tableaux 12 à 15, pp et 18, p. 41). À chaque état métallurgique correspond un niveau de caractéristiques mécaniques garanties par les normes (Annexe 1). (4) Cf. chapitre 10, paragraphe 5. (5) CEN : Comité européen de normalisation. (6) EN 573-1, Aluminium et alliages d aluminium. Partie 1 : Système de désignation numérique. (7) En toute rigueur, la norme EN prévoit une désignation «alphanumérique» en deux parties, précédées chacune de EN AW (aluminium wrougth) : la première numérique de 4 chiffres, la seconde basée sur les symboles chimiques (comme dans la désignation ISO), indiqués entre crochets. Formellement, le 3003 s écrit «EN AW-3003 [EN AW-Al Mn1 Cu]». FAMILLES D ALLIAGES DE CORROYAGE Mode de Famille Élément d alliage Étendue de Additions Résistance mécanique durcissement la teneur (en %) possibles Rm (en MPa) Écrouissage 1000 Aucun Cu Manganèse 0,5 à 1,5 Mg, Cu Magnésium 0,5 à 5 Mn, Cr Fer et Silicium Si : 0,30 à Fe : 0,6 à 2 Durcissement 6000 Magnésium et Silicium Mg : 0,5 à 1,5 Cu, Cr structural Si : 0,5 à 1, Cuivre 2 à 6 Si, Mg Zinc et Magnésium Zn : 5 à 7 Cu sans cuivre : Mg : 1 à 2 avec cuivre : Silicium 0,8 à 1, Tableau 10

5 3. LES ALLIAGES D'ALUMINIUM DANS LES APPLICATIONS MARINES 3. LES ALLIAGES À DURCISSEMENT PAR ÉCROUISSAGE Ils appartiennent aux familles 1000, 3000, 5000 et 8000 (8). Leur gamme de fabrication est faite d une suite de mises en forme (le laminage pour les tôles) à chaud, puis à froid, associée à des recuits intermédiaires et/ou finaux. Le durcissement par écrouissage correspond à une modification de structure provoquée par une déformation plastique. Il se produit lors de la fabrication d un demi-produit pendant le laminage, l étirage, le tréfilage, mais également au cours de la mise en œuvre des demiproduits en atelier lors de la mise en forme, par pliage, par exemple. L écrouissage se traduit par une augmentation de la résistance mécanique et de la dureté, et par une diminution de la ductilité, donc de la capacité de déformation. Cet effet est d autant plus marqué que la mise en forme subie est importante ou que le taux d écrouissage est élevé. Le niveau de caractéristiques mécaniques accessible dépend de la composition de l alliage. Ainsi, l alliage 5083, qui contient entre 4 et 4,9 % de magnésium, acquiert une dureté plus élevée, mais une capacité de déformation plus limitée que l alliage 5754 qui ne contient qu entre 2,6 et 3,6 % de magnésium. 3.1 Adoucissement par le traitement thermique de recuit Il est possible de restaurer la capacité de déformation du métal écroui par un traitement thermique appelé «recuit». Au cours de ce traitement, qui est effectué à une température supérieure à 300 C, la dureté et les caractéristiques mécaniques du métal commencent par diminuer lentement, c est la restauration suivant la ligne A-B (figure 19). Elles diminuent ensuite plus rapidement, ce qui correspond à la recristallisation (courbe B-C), pour finalement atteindre une valeur minimale correspondant aux caractéristiques mécaniques du métal recuit (ligne C-D). Ces phénomènes de restauration et de recristallisation s accompagnent d une modification de la texture et de la taille des «grains» du métal. Ainsi, lors de la recristallisation, il y a réorganisation suivant une nouvelle structure de grains. Aspect micrographique Il faut noter que, à égalité de résistance mécanique, la ductilité est plus élevée sur le métal restauré (H2X) que sur du métal écroui (H1X). L état restauré sera donc préféré lorsque la capacité maximale de mise en forme est recherchée. Les conditions de recuit (température du traitement, durée de maintien) propres à quelques alliages sont indiquées dans le tableau 11. Pour conserver une bonne aptitude à la mise en forme, le métal recuit ne doit pas présenter de grain grossier (qui est révélé sous la forme du phénomène de «peau d orange» au cours des opérations de déformation). Pour obtenir un métal recuit à grain fin, il faut respecter les conditions suivantes : s assurer que le métal a subi un taux de déformation suffisant, correspondant à une diminution relative de section de 15 %, au minimum. Si cette condition n est pas respectée, il faut se borner à ne faire qu un traitement de restauration (donc évi- (8) Stricto sensu, tous les métaux et alliages durcissent par écrouissage. Mais, dans la métallurgie de l aluminium, cette désignation est réservée aux alliages des familles qui ne sont pas susceptibles de durcissement structural. ÉVOLUTION DE LA DURETÉ AU COURS DU RECUIT Cependant, l augmentation progressive de la résistance mécanique atteint toujours une limite au-delà de laquelle toute déformation devient difficile, voire impossible. Il faut alors, si l on veut poursuivre la mise en forme, «adoucir» le métal, par des traitements thermiques de recuit. Dureté O A Restauration B Recristallisation C Recuit D Temps Figure 19 37

6 CONDITIONS DE RECUIT Alliage Recuit de restauration Recuit de recristallisation Température ( C) Durée (heures) Température ( C) Durée (heures) 5XXX à , à , A à , à , à , à ,5-2 Tableau 11 ter de faire un traitement de recristallisation), adopter une vitesse rapide de montée en température, de 20 à 60 C par heure, ne pas atteindre une température trop élevée, au-delà de 350 à 400 C, ni une durée de maintien en température trop longue, pas plus de 2 heures. 3.2 Les états métallurgiques Les alliages d aluminium à durcissement par écrouissage sont disponibles sous trois états métallurgiques fondamentaux (tableau 12), définis par la norme EN 515 (9) : La plupart des états H classiques sont désignés par deux chiffres dont la signification est indiquée dans les tableaux 13 et 14 : le premier correspond à l état de base, le second indique le degré d écrouissage. Plusieurs états sont désignés par 3 chiffres, dont le H111 et le H116 (tableau 15). À tous ces états correspondent des caractéristiques mécaniques minimales définies par les normes EN dont on trouvera des extraits en annexe 1. Les alliages à durcissement par écrouissage et les états métallurgiques les plus courants utilisés dans les applications marines sont indiqués dans le tableau 19. Remarques : Conformément à la nouvelle norme ASTM B (11), concernant les demi produits destinés aux applications marines des alliages 5059, 5383 et 5456 dans les états H116 et H321 et les demi produits en 5086 dans l'état H116, doivent satisfaire aux tests de sensibilité à la corrosion feuilletante selon le test ASSET ASTM G66 (12) et à la corrosion intercristalline selon le test ASTM G67 (13). Le Sealium tests. subit donc ces ALLIAGES À DURCISSEMENT PAR ÉCROUISSAGE ÉTATS MÉTALLURGIQUES FONDAMENTAUX (NORME EN 515) État F O H Définition brut de fabrication, sans garantie de caractéristiques mécaniques recuit, la capacité de mise en forme est maximale, durci par écrouissage 38 Tableau 12 SIGNIFICATION DU PREMIER CHIFFRE DES ÉTATS HXX Premier chiffre HXX État de base 1 Écroui 2 Écroui et restauré 3 Écroui et stabilisé(*) (*) État stabilisé par un traitement thermique à basse température Tableau 13 ou par un échauffement introduit en cours de transformation. Cet état concerne principalement les alliages de la famille (9) EN 515, Aluminium et alliages d aluminium Produits corroyés Désignation des états métallurgiques. (10) Cf. p (11) B : Standard Specification for High Magnesium Aluminum Alloy Sheet and Plate for Marine Service, February (12) Et avec la cotation meilleure que «Pb». (13) Cf. chapitre 10.

7 3. LES ALLIAGES D'ALUMINIUM DANS LES APPLICATIONS MARINES 4. LES ALLIAGES À DURCISSEMENT STRUCTURAL SÉQUENCES DU DURCISSEMENT STRUCTURAL T 1 Mise en solution Ils appartiennent aux familles 2000, 6000 et Principe du durcissement structural Les caractéristiques mécaniques maximales de ces alliages sont obtenues par un traitement thermique comprenant 3 étapes (figure 20) : la mise en solution faite à température élevée, de l ordre de 530 C pour les alliages de la famille Au cours de ce séjour en température, les constituants d alliage qui sont sous forme d intermétalliques dispersés sont dissous pour former une solution solide homogène, Température To To= température ambiante Trempe Maturation (*) Second chiffre HXX Signification Degré d écrouissage (en %) 2 Quart dur 12 4 Demi-dur 25 6 Trois quarts dur 50 8 Quatre quarts dur 75 Revenu (*) C est entre la trempe et le revenu que l on pratique la déformation plastique contrôlée pour obtenir les états T451 et T651 Temps Figure 20 SIGNIFICATION DU SECOND CHIFFRE DES ÉTATS HXX Tableau 14 la trempe, qui est un refroidissement rapide généralement obtenu en plongeant le métal dans de l eau froide dès sa sortie du four. Les profilés peuvent être «trempés sur presse» en passant dès la sortie de la filière dans un tunnel où ils sont aspergés d eau sous forme de fines gouttelettes (14), la maturation ou le revenu ; le métal trempé est dans un état métastable, en ce sens que sa structure évolue (15) dans le temps pour aboutir à une réorganisation stable dans laquelle les éléments d alliages sont rejetés de la solution solide sous forme de précipités très fins et dispersés. Cette précipitation augmente la dureté du métal. (14) C est une pratique courante pour plusieurs alliages de filage de la famille 6000 (6060, 6005A, 6106), qui sont ainsi «trempés sur presse» par refroidissement à l air soufflé ou au brouillard. Ce sont les états T1 (trempé mûri) et T5 (trempé revenu). (15) Assez rapidement, en quelques heures pour certains alliages. État ÉTATS HXXX (NORME EN 515) Caractéristiques H111 H112 H116 HXX4 Cet état se distingue de l état O par le fait que les demi-produits livrés dans cet état ont subi, après recuit, un planage pour améliorer leurs caractéristiques dimensionnelles, dont la planéité. Cet état concerne les demi-produits dont le niveau de caractéristiques mécaniques est acquis par transformation à chaud ou par déformation à froid limitée. Cet état concerne les demi-produits de la famille 5000 dont la teneur en magnésium est supérieure ou égale à 4 % (5083, 5086, etc.). Dans cet état, les demi-produits doivent présenter une résistance définie à la corrosion feuilletante après l essai ASTM G66 (test ASSET) (10). Cet état s applique aux «tôles relief» gravées à partir de l état HXX correspondant. Tableau 15 39

8 CONDITIONS DE MISE EN SOLUTION, TREMPE ET REVENU Alliage État Mise en solution Milieu de trempe Revenu Maturation Température ( C) (1) Température ( C) Durée (heures) minimale (jours) 6060 T4 530 ± 5 Air soufflé (3) ou eau 8 T6 530 ± 5 Air soufflé ou eau 175 ± 5 8 ou 185 ± A T4 530 ± 5 Eau 40 C (3) 8 T6 530 ± 5 Eau 40 C 175 ± 5 (2) 8 ou 185 ± T4 530 ± 5 Eau 40 C (3) 8 T6 530 ± 5 Eau 40 C (3) 165 ± 5 (2) 16 ou 175 ± T4 530 ± 5 Eau 40 C 8 T6 530 ± 5 Eau 40 C 175 ± 5 (2) 8 ou 185 ± 5 6 (1) La durée de maintien est indiquée dans le tableau 17. Tableau 16 (2) Ce traitement confère les caractéristiques mécaniques optimales associées aux valeurs de A % les plus élevées. (3) Du fait que ces alliages ont une faible vitesse critique de trempe, les demi-produits de faible épaisseur peuvent être trempés à l air soufflé. 40 C est le phénomène de durcissement structural. Il peut se produire à la température ambiante. Il porte alors le nom de maturation. Avec certains alliages, comme ceux de la famille 6000, il peut être accéléré par un maintien à des températures plus élevées (150 à 190 C). Il en résulte un durcissement plus important. Ce traitement thermique fait dans un four porte le nom de revenu (ou vieillissement artificiel). Cette gamme de traitements thermiques doit être faite dans des conditions rigoureuses de température, de durée, de vitesse de trempe. À défaut, les caractéristiques mécaniques finales et, également, la résistance à la corrosion risquent d en être affectées. Les conditions des traitements thermiques sont indiquées dans le tableau 16 et les durées de mise en solution dans le tableau 17 pour les principaux alliages de la famille 6000 utilisés dans les applications marines. 4.2 DURÉE DE MISE EN SOLUTION Épaisseur ou Durée minimale de maintien à la température diamètre (mm) en four air (minutes) (*) 0,5 20 0,5-0,8 25 0,8-1,6 30 1,6-2,3 35 2,3-3,0 40 3,0-6, ,25-12, ,0-25, ,0-37, , (*) Il s agit de la durée minimale de maintien à la température Tableau 17 (suivant la norme AMS STD-2772). Traitement d adoucissement par recuit Lors de la mise en forme des demiproduits en 6000, il peut être nécessaire de pratiquer des traitements de recuit intermédiaires pour restaurer la plasticité. Les conditions de température et de durée qui dépendent de l alliage sont indiquées dans le tableau 11, p. 38. Après ces recuits, la vitesse de refroidissement doit être contrôlée pour éviter un effet de trempe.

9 3. LES ALLIAGES D'ALUMINIUM DANS LES APPLICATIONS MARINES 4.3 Désignation des états métallurgiques Les états métallurgiques des alliages à durcissement structural sont tous désignés par la lettre T suivie de 1 à 5 chiffres, dont on trouvera la définition précise dans la norme EN 515 (tableau 18). Les alliages à durcissement structural et leurs états les plus courants utilisés dans les applications marines sont indiqués dans le tableau 19, extrait de la norme EN (16). PRINCIPAUX ÉTATS MÉTALLURGIQUES DES ALLIAGES À DURCISSEMENT STRUCTURAL État Signification Remarque T1 Refroidi après transformation à chaud et mûri jusqu à l obtention d un état pratiquement stable Cette désignation s applique aux produits qui ne subissent pas d écrouissage après le refroidissement pratiqué à l issue de la transformation à chaud, ou pour lesquels l effet d écrouissage associé au planage ou au dressage n a pas d incidence sur les limites de caractéristiques mécaniques. T3 Mis en solution, écroui et mûri jusqu à l obtention d un état pratiquement stable Cette désignation s applique aux produits qui, après mise en solution, subissent un écrouissage pour améliorer leur résistance mécanique, ou pour lesquels l effet d écrouissage associé au planage ou au dressage se traduit sur les limites de caractéristiques mécaniques. T4 Mis en solution et mûri jusqu à l obtention d un état pratiquement stable Cette désignation s applique aux produits qui ne subissent pas d écrouissage après mise en solution, ou pour lesquels l effet d écrouissage associé au planage ou au dressage ne se traduit pas sur les limites de caractéristiques mécaniques. T5 Refroidi après transformation à chaud puis revenu Cette désignation s applique aux produits qui ne subissent pas d écrouissage après le refroidissement pratiqué à l issue de la transformation à chaud, ou pour lesquels l effet d écrouissage associé au planage ou au dressage ne se traduit pas sur les limites de caractéristiques mécaniques. T6 Mis en solution puis revenu Cette désignation s applique aux produits qui ne subissent pas d écrouissage après mise en solution, ou pour lesquels l effet d écrouissage associé au planage ou au dressage ne se traduit pas sur les limites de caractéristiques mécaniques. T451 T651 Métal à l état T4 ou T6 ayant subi après trempe une déformation par traction contrôlée pour diminuer les contraintes internes Cette désignation s applique aux tôles, tôles épaisses, barres laminées ou finies à froid, pièces ou couronnes forgées et couronnes laminées qui, après mise en solution ou après le refroidissement suivant la transformation à chaud, sont tractionnées de la quantité indiquée : tôles épaisses ; 1,5 % à 3 % de déformation permanente tôles : 0,5 % à 3 % de déformation permanente Ces produits ne sont soumis à aucun dressage complémentaire après traction. Tableau 18 41

10 ALLIAGES RECOMMANDÉS POUR LES APPLICATIONS MARINES (NORME EN ) (16) Alliage Tôles et bandes Produits filés Barres Tubes Profilés 5754 O/H111 O/H111 O/H111 H112 H112 H32, H34, H O/H111 O/H111 O/ H111 H112 H112 H112 H112 H32, H O/H111 O/ H111 O/ H111 H112 H112, H116 (a) H112 H112 H32 (a), H34 (a) 5083 O/H111 O/H111 O/H111 H112 et 5383 (17) H112, H116 (a) H112 H112 H32 (a), H34 (a) 6082 O (b) O/H111 (b) O/H111 (b) O/H111 (b) T4, T451 T4 (c) T4 (c), T5 T4 (c) T6, T651 T6 (c) T6 (c) T6 (c) 6106 T6 (c) 6005A T6 (c) T6 (c) T4 (c) T6 (c) (a) Les alliages 5083, 5383, 5086 produits à l état H116 sous forme de tôle, de bande ou de tôle épaisse Tableau 19 doivent être soumis à essai afin d évaluer leur résistance à la corrosion intergranulaire et à la corrosion exfoliante (Cf. chapitre 10). (b) Cet état n est pas destiné à une utilisation finale. Le traitement thermique s applique après formage. (c) Les caractéristiques mécaniques peuvent être obtenues par trempe sur presse. CARACTÉRISTIQUES MÉCANIQUES DES TÔLES ET DES BANDES (*) Alliage Épaisseur (mm) État R m (MPa) R p0,2 (MPa) A % (**) mini mini max mini A 50 A e 50 O/H H e 50 O/H e 12,5 H ,5 e 50 H e 50 H e 50 H32 et H e 50 H e 50 H32 et H e 50 O et H e 50 H e 50 H e 50 O/H (19) 3 e 50 H116 ou H (*) Extrait du tableau 4 de la norme EN Tableau 20 (**) Lorsqu elles sont disponibles, les valeurs de A 50 mm doivent s appliquer jusqu à (et y compris) 12,5 mm d épaisseur et les valeurs de A au-dessus de 12,5 mm d épaisseur.

11 3. LES ALLIAGES D'ALUMINIUM DANS LES APPLICATIONS MARINES 5. LES PRINCIPAUX ALLIAGES POUR APPLICATIONS MARINES La plupart des chantiers de construction navale et de matériel pour l équipement du littoral et pour l offshore utilisent les demi-produits des alliages recommandés par la norme EN (16) dont est extrait le tableau Caractéristiques mécaniques garanties à la température ambiante 5.2 Caractéristiques mécaniques aux basses températures Les alliages d aluminium, particulièrement ceux des familles 5000 et 6000, peuvent être exposés aux basses températures sans subir de modification structurale (20). Cette propriété explique le développement des applications cryogéniques de l aluminium : cuves de méthaniers, échangeurs d unités de regazéification de GLN, etc. L aluminium a été choisi pour la construction de plusieurs bateaux d explorations polaires et circum polaires. R m -R p0,2 INFLUENCE DE LA TEMPÉRATURE MPa R m A% Rp 0, Température C Alliage 5086, État O A% Le lecteur trouvera en annexe 1 les caractéristiques mécaniques garanties par la norme EN et EN 1386 pour les tôles relief (18). Quand les demi-produits sont contrôlés par une société de classification, la norme EN prévoit des caractéristiques mécaniques minimales indiquées dans le tableau 20 pour les demi-produits laminés et dans le tableau 21 pour les demi-produits extrudés. À titre d exemple, l évolution des caractéristiques mécaniques du 5083 O entre 196 C et C est indiquée dans le tableau 22. On notera que la capacité de déformation élastique ne diminue pas aux températures cryogéniques (figure 21). Le maintien prolongé aux basses températures ne modifie pas les caractéristiques mécaniques après le retour à la température ambiante. 4.3 Figure 21 WATERJET LJ114E EN ALUMINIUM (16) EN , Aluminium et alliages d aluminium - Produits corroyés et pièces moulées pour les applications marines (construction navale, maritime et offshore), décembre 2002, tableau 1. (17) Le Sealium est du 5383 à l état H116, pour les laminés, et à l état H112 (capable de l état H116) pour les filés. (18) EN 1386, Aluminium et alliages d aluminium Tôles relief Spécifications. (19) Le Sealium est toujours à l état H116. (20) Contrairement aux aciers, les alliages d aluminium n ont pas de «point de transition» (température au-dessous de laquelle les aciers peuvent subir une rupture fragile). 43

12 CARACTÉRISTIQUES MÉCANIQUES DES DEMI-PRODUITS EXTRUDÉS (*) Alliage Forme Épaisseur (mm) État R m R p0,2 (MPa) A % (**) mini min mini A 50 A 5086 Profilés, barre, tube 3 e 50 H Profilés, barre, tube 3 e 50 H Profilés, barre, tube 3 e 50 O et H Profilés, barre, tube 3 e 25 T Profilés, barre, tube 3 e 25 T Profilés, barre, tube 3 e 50 T5 ou T Profilés fermés 3 e 50 T5 ou T A Profilés, barre, tube 3 e 25 T5 ou T Profilés fermés 3 e 25 T5 ou T Profilés, barre, tube 3 e 25 T5 ou T Profilés fermés 3 e 25 T5 ou T Profilés, barre, tube 3 e 25 T (*) Extrait du tableau 4 de la norme EN Tableau 21 (**) Lorsqu elles sont disponibles, les valeurs de A 50 mm doivent s appliquer jusqu à (et y compris) 12,5 mm d épaisseur et les valeurs de A au dessus de 12,5 mm d épaisseur O ÉVOLUTION DES CARACTÉRISTIQUES MÉCANIQUES (*) Température C (**) R m (MPa) R p0,2 (MPa) A % (*) Après heures de maintien à la température. Tableau 22 (**) Température de maintien et de mesure. CARACTÉRISTIQUES MÉCANIQUES EN TEMPÉRATURE (*) APRÈS HEURES DE MAINTIEN Alliage État 20 C 100 C 150 C 204 C R m R p0,2 A % R m R p0,2 A % R m R p0,2 A % R m R p0,2 A % 5086 O O T T (*) Elles sont mesurées à la température indiquée. Tableau 23

13 3. LES ALLIAGES D'ALUMINIUM DANS LES APPLICATIONS MARINES 5.3 Caractéristiques mécaniques aux températures supérieures à 100 C Les caractéristiques mécaniques des alliages d aluminium aux températures supérieures à 100 C dépendent du niveau de température, de la durée de maintien ainsi que l illustre la figure 22 pour le Lorsque la température augmente, la charge de rupture R m et la limite d élasticité R p0,2 diminuent tandis que l allongement de rupture A % augmente. L évolution des caractéristiques mécaniques des alliages 5083, 5086, 6082 et 6061 est indiquée dans le tableau 23. La déformation à chaud de ces alliages entraîne donc une diminution importante des caractéristiques mécaniques, surtout dans le cas des alliages de la famille 6000 à l état T5 ou T6. 6. UN NOUVEL ALLIAGE, LE SEALIUM, «MARINE GRADE» Du fait de la zone affectée thermiquement, le calcul d une structure soudée en alliage d aluminium est fait sur la base de la limite d élasticité σ o de l état recuit (O ou H111) pour les alliages à durcissement par écrouissage. 1 0,8 0,6 0,4 0, T6 INFLUENCE DE LA DURÉE DE MAINTIEN EN TEMPÉRATURE Rm (θ) - Rm (20 C) Rm (20 C) 0, Durée de maintien (H) Température ( C) * mesurée après retour à la température ambiante Par conséquent, l augmentation de la limite d élasticité de la zone affectée thermiquement a pour effet de pouvoir accepter, pour une structure soudée, des contraintes unitaires plus élevées, à épaisseur égale du métal de base, ou de réduire celle-ci à contrainte égale. Un joint soudé est constitué du cordon de soudure, de la zone affectée thermiquement située de part et d autre de celui-ci, elle-même reliée au métal de base (figure 23). L augmentation des caractéristiques mécaniques du joint soudé dépend de celle de chacun des constituants de ce joint : le métal de base, la zone affectée thermiquement (ZAT) et le cordon de soudure, ainsi que de leur structure métallurgique. Les recherches ont montré que les meilleurs résultats sont obtenus avec un métal de base à structure fibreuse et un cordon de soudure recristallisé à grains fins [1] (figure 24). Figure 22 OPUS 45 JOINT SOUDÉ Cordon de soudure Métal de base Zone affectée thermiquement (ZAT) Métal de base 45 Figure 23

14 Pour cela, il faut intervenir sur plusieurs paramètres plus ou moins interdépendants qui aboutissent à une liaison plus homogène entre métal de base, zone affectée thermiquement et cordon de soudure : la composition de l alliage dont l augmentation contrôlée du titre en magnésium, en zinc et en manganèse a pour effet principal d élever le niveau des caractéristiques mécaniques du métal de base, STRUCTURE DU JOINT SOUDÉ SUR SEALIUM Sealium 5083 H116 Figure 24 CARACTÉRISTIQUES MÉCANIQUES SUR SOUDURE la structure métallurgique de chacun des constituants, l addition de zirconium en favorisant le fibrage du métal de base et un grain fin dans le cordon de soudure contribuent à l amélioration du niveau de caractéristiques mécaniques, les conditions de transformation, optimisées pour l obtention de l état métallurgique H116. Les travaux du Centre de Recherches ALCAN (CRV) ont abouti au Sealium (Marine Grade) qui est du 5383 toujours à l état H116. Il répond aux besoins des constructeurs à la recherche d alliages plus performants. Ce nouvel alliage, enregistré sous la désignation AA5383 par l Aluminium Association, a été homologué par la plupart des sociétés de classification : American Bureau of Shipping (ABS), Bureau Veritas (BV), Det Norske Veritas (DNV), Germanisher Llyod (GL), Llyod s Register of Shipping (LR), Nippon Kaiji Kyokai (NKK), Registro Italiano Navale (RINA). 6.1 Caractéristiques mécaniques Les publications sur ce nouvel alliage affichent les résultats suivants: sur métal de base sous forme de tôle (tableau 24), sur métal soudé (tableau 25), sur profilé extrudé (tableau 26). Des essais comparatifs ont été effectués sur des tôles de 6 mm d épaisseur en 5083 et en Sealium, soudées bout à bout avec métal d apport en 5183 [2]. Les caractéristiques mécaniques moyennes (cinq mesures) suivant le protocole DNV (figure 25), sont indiquées dans le tableau 25. Ces résultats montrent que sur le Sealium soudé, dans le sens transversal sur soudure, le gain sur la limite d élasticité est de 12 MPa et de 15 MPa sur la charge de rupture par rapport au 5083, soit 4 % sur la limite d élasticité et 11 % sur la charge de rupture. Dans la zone affectée thermiquement, le gain est respectivement de 20,5 et 11,6 %. Transversal (a) ZAT (c) Cordon de soudure (b) CARACTÉRISTIQUES MÉCANIQUES MINIMALES DU MÉTAL DE BASE (*) (TÔLES) Alliage État R m R p0,2 A % Sealium (**) O H Figure 25 (*) Épaisseur < 20 mm (**) Le Sealium est toujours à l état H116. Tableau 24 CARACTÉRISTIQUES MÉCANIQUES MOYENNES SUR TÔLES SOUDÉES [1] Métal de base En transversal sur soudure (a) Dans le cordon de soudure (b) Dans la zone affectée thermiquement (c) R p0,2 (MPa)R m (MPa) A % R p0,2 (MPa) R m (MPa) A % R p0,2 (MPa) R m (MPa) A % H , , ,2 Sealium , , ,3 Gain en % (*) 11,2 4,2 20,5 11,6 (*) Par rapport au Tableau 25

15 3. LES ALLIAGES D'ALUMINIUM DANS LES APPLICATIONS MARINES CARACTÉRISTIQUES MÉCANIQUES MINIMALES SUR EXTRUDÉ Alliage État R m R p0,2 A % Sealium H Rm O H CARACTÉRISTIQUES MÉCANIQUES DU SEALIUM SOUDÉ BOUT À BOUT Rm (MPa) Sealium 5083 H116 TENUE EN FATIGUE DU SEALIUM Nombre de cycles Tableau 26 Rp 0, 2 Figure 26 D une manière générale, les essais au travers du cordon de soudure, suivant les recommandations DNV, montrent que la limite d élasticité du Sealium (voir note (17) page 43) est toujours supérieure à celle du 5083 H116 (figure 26). Ces résultats ont été confirmés par des mesures faites sur des tôles soudées (avec le 5183 comme métal d apport) par plusieurs chantiers navals. 6.2 La tenue en fatigue Les essais ont montré que la limite d endurance du Sealium soudé bout à bout est supérieure à celle du 5083, de l ordre de 20 MPa, toutes choses étant égales par ailleurs (figure 27). 6.3 La tenue à la corrosion Des essais de corrosion suivant le protocole de la norme ASTM B928 sur plus de 50 lots de Sealium fabriqués par l usine ALCAN d Issoire ont montré que sa tenue à la corrosion est au moins équivalente à celle du 5083 (tableau 27), sinon meilleure. Pour être acceptable, un lot doit être classé N, PA et PB au test ASSET et la perte de poids au test NAMLT doit être inférieure à 15 mg.cm -2 (21). Sealium en 6 mm 5083 H116 en 6 mm Figure 27 (21) Cf. paragraphe 11 du chapitre 10. TENUE À LA CORROSION DU SEALIUM Corrosion exfoliante Corrosion intercristalline Test ASSET ASTM G66 Test ASTM G67 NAMLT Sealium 5083 Sealium 5083 Métal de base N/PA PA/PB 4 mg.cm -2 4 mg.cm -2 Zone affectée thermiquement PA PB Tableau 27 47

16 7. LES FAMILLES D ALLIAGES DE MOULAGE Il y a 5 familles d alliages de moulage industriels (tableau 28). Conformément à la norme EN 1706 (22), les alliages de moulage ont, comme les alliages de corroyage, une désignation numérique à 5 chiffres accolés. Les états métallurgiques sont indiqués dans le tableau 29. Les possibilités offertes par les procédés de moulage, en particulier pour réaliser des formes relativement complexes, permettent d utiliser les alliages d aluminium de moulage pour de nombreuses applications marines, telles que : les pièces d accastillage, les pièces de structure, les nœuds d assemblage, les pièces d ensembles à fonction mécanique, les pièces d aménagement intérieur, des supports divers. Les alliages utilisés pour ces applications marines sont de première fusion. Ils appartiennent presque exclusivement à deux familles : FAMILLES D ALLIAGES DE MOULAGE Élément d alliage Désignation Aucun Cuivre Silicium Magnésium Zinc Tableau 28 la famille 40000, constituée d alliages d aluminium-silicium, la famille 50000, constituée d alliages d aluminium-magnésium. Pour des applications marines, l utilisation des alliages de la famille aluminium-cuivre doit être évitée. À défaut, ils doivent être bien protégés. 7.1 Les alliages au silicium de la famille Ces alliages présentent : une excellente aptitude au moulage permettant de réaliser facilement des pièces saines de formes complexes, une très bonne aptitude au soudage (23), de très bonnes caractéristiques mécaniques après traitement thermique pour les alliages contenant du magnésium, à durcissement structural (24), un très bon comportement en milieu marin. Quatre alliages sont particulièrement conseillés : le 41000, pour la fabrication des pièces qui doivent présenter un bel aspect après polissage mécanique et anodisation, le et le pour la fabrication des pièces dont le tracé est complexe et pour lesquelles on exige des caractéristiques mécaniques élevées. Ces deux alliages doivent subir le traitement thermique de durcissement structural pour présenter de bonnes caractéristiques mécaniques, le 44100, pour la fabrication des pièces minces coulées en coquille. 7.2 Les alliages au magnésium de la famille Les alliages aluminium-magnésium se distinguent par : un excellent aspect après polissage mécanique, une très bonne aptitude aux traitements d anodisation pour la protection et pour la décoration, une bonne soudabilité ; ils peuvent être assemblés avec des produits moulés laminés ou filés de composition voisine, une excellente résistance à la corrosion en milieu marin ; ils sont parfaitement adaptés aux applications marines. Deux alliages sont particulièrement recommandés : le 51100, à 3 % de magnésium, le 51300, à 6 % de magnésium. (22) Norme EN 1706, Aluminium et alliages d aluminium. Composition chimique et caractéristiques mécaniques. (23) Le soudage des alliages de moulage avec les alliages de corroyage de la famille 5000 (et réciproquement) est déconseillé (cf. chapitre 6). (24) Le traitement thermique de durcissement structural est, pour les et : mise en solution 10 H à 540 C, trempe à l eau, revenu 6 H à 160 C, idem pour le 41000, à ceci près que la mise en solution est de 4 H à 540 C. ÉTATS MÉTALLURGIQUES DES ALLIAGES DE MOULAGE Principaux traitements thermiques EN 1706 AFNOR NF A (*) Aucun, brut de coulée F Y 20 Y 30 Mise en solution, trempe et maturation naturelle T4 Y 24 Y Mise en solution, trempe et revenu au pic de résistance T6 (**) Y 23 Y 33 Mise en solution, trempe et sous-revenu T64 Y 23 Y 33 (*) Y2X désigne la coulée en sable et Y3X la coulée en coquille. (**) Pour conserver un minimum d allongement, en pratique, le revenu T6 n est jamais fait au pic de résistance, mais toujours en dessous. L état T64 désigne un sous-revenu destiné à favoriser l allongement. Tableau 29

17 3. LES ALLIAGES D'ALUMINIUM DANS LES APPLICATIONS MARINES 8. PROPRIÉTÉS DES ALLIAGES DE MOULAGE GUINDEAU 312 Les principales propriétés des alliages de moulage utilisés dans les applications marines sont indiquées dans les tableaux suivants. 8.1 Compositions chimiques Les compositions chimiques sur pièces suivant la norme EN 1706 sont indiquées dans le tableau 30. COMPOSITIONS NORMALISÉES SUR PIÈCES (EN % PONDÉRAL) Alliage Si Fe Cu Mn Mg Ni Zn Ti Pb Sn ,6 0,30 0,45 0,05 2,4 0,60 0,10 0,50 0,65 0,05 0,10 0,20 0,05 0, ,5 0,25 0,08 7,5 0,19 0,05 0,10 0,45 0,07 0, ,5 0,45 0,08 7,5 0,19 0,05 0,10 0,70 0,07 0, ,5 13,5 0,65 0,15 0,55 0,10 0,10 0,15 0,20 0,10 0, ,5 0,55 0,55 0,05 0,45 3,5 0,10 0, ,5 0,55 0,55 0,10 0,45 6,5 0,10 0,20 Remarque : quand une seule valeur est indiquée, elle correspond au maximum autorisé. Tableau Propriétés physiques PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DES ALLIAGES DE MOULAGE Alliages Masse volumique Conductivité thermique Coefficient de dilatation Intervalle Retrait moyen (kg.m -3 ) à 20 C linéique entre de solidification (%) (W.m -1 C -1 ) 20 et 100 C C , , , , Tableau 31 49

18 8.3 Aptitudes technologiques APTITUDES TECHNOLOGIQUES DES ALLIAGES DE MOULAGE Alliages Moulage Sensibilité Pièces Stabilité Usinage Soudage Au Anodisation Anodisation Tenue à la à la crique minces dimensionnelle à l arc polissage de protection de corrosion en décoration milieu marin Impropre. 1 - Médiocre. 2 - Moyen. 3 - Bon. 4 - Excellent. Tableau Caractéristiques mécaniques CARACTÉRISTIQUES MÉCANIQUES SUR ÉPROUVETTES COULÉES A PART Alliage État Mode coulée R m R p0,2 A % T6 Y Y T6 Y Y T6 Y Y F Y Y F Y Y F Y Y Tableau Références bibliographiques [1] «High Strength Marine Grade Aluminium Alloys: A New Generation of 5383 with improved Properties», A. DURAN, C. HÉNON and R. DIF, 18th Fast Ferry Conference and Exhibition, Nice, France, February [2] «The potential of 5383 alloy in marine application», G. M. RAYNAUD, Ph. GOMIERO, Pechiney Rhenalu, Conférence Alumitech 97, pp

19 3. LES ALLIAGES D'ALUMINIUM DANS LES APPLICATIONS MARINES SALLE DES MACHINES DE L AQUASTRADA TMV

20 CATAMARAN UAI 50 52